Post on 22-Apr-2015
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Matrizes
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Organizando e analisando dados
O colégio Tales distribui, durante o ano letivo, 100 pontos por matéria. O quadro a seguir mostra os totais de pontos obtidos por Ana, Carlos e Pedro, em Matemática nos anos de 2006 e 2007.
Ana Carlos Pedro
2006 80 75 72,5
2007 76 82,5 78
Quadros como esses ajudam a organizar dados. Fica mais fácil analisá-los, combiná-los com outros.
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Matrizes – Conceitos iniciais
Foi o matemático inglês, James Joseph, Sylvester, quem usou pela primeira vez esta forma de trabalhar com um conjunto de informações, dispondo-as em linhas e colunas em uma tabela.
A um quadro desse tipo, damos o nome de Matriz. Cada número que o constitui é um elemento da matriz.
O quadro apresentado é uma matriz 2 x 3, isto é, possui 2 linhas e 3 colunas.
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Representando matrizes
Para nomear matrizes, usamos letras latinas maiúsculas. Seus elementos ficam dentro de parênteses ou colchetes.
Exemplo
80 75 72,5
76 82,5 78
80 75 72,5
76 85,2 78ou A =A =
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Representando matrizes
Nossa matriz tem 2 linhas e 3 colunas. Dizemos que ela é do tipo 2 x 3 (dois por três) ou, simplesmente, uma matriz 2 x 3.
80 75 72,5
76 82,5 78A =
→ 1ª linha
→ 2ª linha
1ª coluna 2ª coluna 3ª coluna
Nossa matriz é indicada por A2x3.
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Representando elementos de uma matriz
De maneira geral, indicamos um elemento de uma matriz por uma letra minúscula, acompanhada de dois índices, que definem sua posição na matriz.
Um elemento genérico da matriz A é indicado assim:
aij
i indica a linha do elemento
j indica a coluna do elemento
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Representando elementos de uma matriz
Na matriz A exemplificada, temos
80 75 72,5
76 82,5 78A =
a11 = 80 a12 = 75 a13 = 72,5
a21 = 76 a22 = 82,5 a23 = 78
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Definição de Matriz
Se m e n são dois números naturais positivos, chama-se matriz do tipo m x n todo quadro formado por m.n números reais, dispostos de forma ordenada em m linhas e n colunas.
Uma matriz genérica Am x n pode ser representada
assim:
amn...am3am2am1
...
a23
a13
...
...
...
.........
a2na22a21
a1na12a11
A =
De forma simplificada, temos A = [aij]m x n
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Exemplo
Na matriz A representada a seguir, cada
elemento aij indica a média, em Matemática, da
turma i no bimestre j. Identificar o tipo de matriz e obter a média da turma 2 no 3.º bimestre e a média da turma 3 no 4.º bimestre.
6,2 8,3 9 7,4
8 7,3 8,7 6,5
7,2 8,1 6,9 7
A =
A3 x 4. a23 = 8,7 a34 = 7
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Matriz definida por seu termo genérico
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Matriz definida por seu termo genérico
Uma matriz pode ser definida, indicando-se seu tipo e uma fórmula para o cálculo de cada elemento aij, em função de i e j.
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Exemplos
Construir a matriz A = (aij)3x2, em que aij = 3i – j.
a32a31
a22a21
a12a11
A =
aij = 3i – j
a11 = 3.1 – 1 = 2 a12 = 3.1 – 2 = 1
a21 = 3.2 – 1 = 5 a22 = 3.2 – 2 = 4
a31 = 3.3 – 1 = 8 a32 = 3.3 – 2 = 7
2 1
5 4
8 7
A =
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Exemplos
Construir a matriz B = (bij)2x2, tal que
b22b21
b12b11
B =
b11 = 2.1 + 1 = 3
b12 = 21 = 2
b21 = 2.2 + 1 = 5
b22 = 2.2 + 2 = 6
3 2
5 6B =
bij =2i + j, se i ≥ j
ji , se i < j
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Igualdade de matrizes
Dizemos que duas matrizes A e B são iguais só se eles são do mesmo tipo e cada elemento de uma delas é igual ao elemento de mesma posição da outra.
Se alguma das condições anteriores falhar, dizemos que A e B são matrizes diferentes.
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Exemplos
Verificar se as matrizes A e B abaixo são iguais.
2 1
5 4
8 7
A =
2 1
8 4
5 7
B =
As matrizes são do mesmo tipo (3 x 2) e têm os mesmos elementos. Elas são diferentes pois os elementos 5 e 8 ocupam posições diferentes.
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Exemplos
Calcular x, y, z e t para que ocorra a igualdade.
2x –1
y + 1 3
4 x + z
5 t – y=
2x = 4
y + 1 = 5
x + z = –1
t – y = 3
⇒ 2x = 22 ⇒ x = 2
⇒ y = 4
⇒ 2 + z = –1 ⇒ z = –3
⇒ t – 4 = 3 ⇒ t = 7
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Algumas matrizes especiais
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Matriz Linha e matriz Coluna
Uma matriz que tem apenas uma linha é chamada de matriz linha. Uma matriz que tem somente uma coluna é denominada de matriz coluna.
Exemplos
–1 2 5 É uma matriz linha 1 x 3.
3
6É uma matriz coluna 2 x 1.
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Matriz Transposta
Veja como podemos apresentar os dados referente à tabela da introdução de matrizes.
Ana Carlos Pedro
2006 80 75 72,5
2007 76 82,5 78
2006 2007
Ana 80 76
Carlos 75 82,5
Pedro 72,5 78
80 75 72,5
76 82,5 78A =
7872,5
82,575
7680B =⇒
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Matriz Transposta
Se A é uma matriz do tipo m x n, chama-se transposta de A (simbolicamente At), a matriz do tipo n x m, obtida de A, trocando-se de posição linhas com colunas, de forma que
A = (aij)m x n ⇒ At = (aji)n x m
2 –1 1
3 0 –5A =
–51
0–1
32At =⇒
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Matriz Nula
Uma matriz que tem os seus elementos iguais a zero é chamada matriz nula. Existe uma matriz nula de cada tipo. A matriz nula pode ser
indicada por Om x n.
0 0 0
0 0 0É uma matriz nula 2 x 3.O =
0 0
0 0O = É uma matriz nula 2 x 2.
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Exemplo
Encontre os valores de x e y, para que a matriz M abaixo seja nula.
x2 – 1 x2 – x – 2
x2 – y2 x + yM =
x2 – 1 = 0
x2 – x – 2 = 0
x2 – y2 = 0
x + y = 0
⇒ x = ±1
⇒ x = –1 ou x = 2
⇒ x = –1 e y = 1
⇒ x = –y
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Matriz Oposta
Chama-se oposta de uma matriz A a matriz representada por –A, cujos elementos são os opostos dos elementos de mesma posição em A.
0 3
–2 5A oposta da matriz A = , é a matriz
–A = 0 –3
2 –5
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Matrizes quadradas
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Matriz quadrada
Chama-se matriz quadrada toda matriz em que o número de linhas é igual ao de colunas. O número de linhas (ou colunas) é a ordem da matriz.
0 3
–2 5
3 0 –3
7 2 –5
1 4 0
é matriz quadrada de ordem 2.
é matriz quadrada de ordem 3.
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a11 a12 a13
a21 a22 a23
a31 a32 a33
Matriz quadrada
Numa matriz quadrada A =[aij], de ordem n,
chama-se
Diagonal principal o conjunto dos elementos aij em que i = j;
Diagonal secundária o conjunto dos elementos aij em que i + j = n + 1;
Diagonal secundária (i + j = 4)
Diagonal principal (i = j)
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Matriz Identidade
Chama-se matriz identidade de ordem n a matriz
quadrada indicada In tal que.
Os elementos da diagonal principal são todos iguais a 1;
Todos os outros elementos são iguais a 0;
1 0
0 1
1 0 0
0 1 0
0 0 1
é matriz identidade de ordem 2.
é matriz identidade de ordem 3.
I2 =
I3 =
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Matriz Diagonal
Toda matriz quadrada em que todos os elementos fora da diagonal principal são iguais a zero é chamada matriz diagonal.
Chama-se traço de uma matriz quadrada a soma dos elementos de sua diagonal principal.
3 0
0 –5
½ 0 0
0 0 0
0 0 2
M = N =
Traço de M é –2. Traço de N é 5/2.
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Exemplo
Calcule o traço da matriz quadrada A abaixo, sabendo que ela é matriz diagonal.
x – 2y x – y + 6
x + 2y x + yA =
x + 2y = 0
x – y + 6 = 0
⇒ x = –4
⇒x + 2y = 0
2x – 2y + 12 = 0x (2)+
3x + 12 = 0
e y = 2
O traço da matriz é: x – 2y + x + y = 2x – y = –10
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Matriz Simétrica
Toda matriz quadrada que é igual a sua transposta é chamada matriz simétrica.
1 –3 5
–3 2 –1
5 –1 6
N =
A é simétrica ⇔ A = At
Exemplo
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Exemplo
Obtenha m, n, e p, para que seja simétrica a matriz.
3 m + n 2
–1 1 5
m – 2n p + 2 0
P =
m + n = –1
m – 2n = 2⇒
m + n = –1
m – 2n = 2
p + 2 = 5
⇒2m + 2n = –2
m – 2n = 2+
3m = 0
⇒ m = 0 e n = –1 ⇒ p = 3
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Matriz Anti-Simétrica
Toda matriz quadrada que é igual à oposta de sua transposta é chamada matriz anti-simétrica.
0 3 –5
–3 0 –1
5 1 0
N =
A é anti-simétrica ⇔ A = –At
Exemplo
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Exemplo
Complete a matriz para que ela seja anti-simétrica.
.... .... 5
–2 .... 3
.... .... ....
Q =
0
0
0
2
–5 –3
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3 1
0 –5
Matriz triangular
Toda matriz quadrada na qual são nulos todos os elementos situados num mesmo lado da diagonal principal.
½ 7 3
0 –2 1
0 0 2
A = B =
Exemplos
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Operações elementares com Matrizes
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Operações com Matrizes
Em certos casos surge a necessidade de efetuar operações com matrizes.
Adição; Subtração; Multiplicação de uma constante real por uma
matriz; Multiplicação.
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Adição de Matrizes
Uma empresa fabrica dois produtos A e B, que
podem ser acondicionados nas embalagens E1, E2 e
E3, com 12, 24 ou 30 unidades, respectivamente. Os
quadros abaixo mostram os custos de fabricação do produto e da embalagem, em cada caso.
A B
E1 60 80
E2 100 130
E3 120 160
A B
E1 2 3
E2 3 4
E3 4 6
Custo do produto (R$) Custo da embalagem (R$)
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Adição de Matrizes
O fabricante quer vender o produto com lucro de 50% sobre o custo do produto, mas não quer obter lucro no custo da embalagem. Qual será o preço de venda dos produtos A e B.
60 80
100 130
120 160
P =
2 3
3 4
4 6
E =
O preço de venda é obtido efetuando-se a operação: 1,5 . P + E
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Adição de Matrizes
V = 1,5 . P + E
60 80
100 130
120 160
P =
2 3
3 4
4 6
E =
1,5 . P =
1,5.1601,5.120
1,5.100
1,5.60
1,5.130
1,5.80
=
240180
150
90
195
120
1,5 . P + E =
90 120
150 195
180 240
+
2 3
3 4
4 6
=
246184
153
92
199
123
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Adição de Matrizes
Veja como seriam os preços de venda dos dois produtos nas três possíveis embalagens.
A B
E1 92 123
E2 153 199
E3 184 246
Preço de venda (R$)
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Adição de Matrizes
Sendo A e B matrizes de mesmo tipo e k uma constante real, definem-se as seguintes operações:
Adição de matrizes: A + B é a matriz em que cada elemento é a soma dos elementos de mesma posição em A e B.
Subtração de matrizes: A – B = A + (–B), é a soma de A com a oposta de B.
Multiplicação de um número por uma matriz: kA é a matriz obtida multiplicando-se, por k, cada um dos elementos de A.
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Exemplo
Dada as matrizes abaixo obter a matriz 3M – 2N + I2.
–2 1
3 2
2 0
3 4N =M =
3.M =3.23.3
3.13.–2=
–6 3
9 6
–2.N =–2.4–2.3
–2.0–2.2=
–4 0
–6 –8
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Exemplo
Dada as matrizes abaixo obter a matriz 3M – 2N + I2.
–2 1
3 2
2 0
3 4N =M =
3M –2N + I2 = 3.M + (–2.N) + I2 =
–6 3
9 6
–4 0
–6 –8
1 0
0 1 –13
3–9= + + =
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Equações matriciais
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Exemplo
Resolver a equação 3X – A = 2B, onde
–5 0
–1 4
1 –3
2 1B =A =
A matriz X deve ser do mesmo tipo de A e B.
x y
z tX =
3.X – A = 2B ⇒x y
z t
–5 0
–1 4
1 –3
2 13. – = 2.
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Exemplo
3.X – A = 2B ⇒3x 3y
3z 3t
5 0
1 –4
2 –6
4 2+ =
⇒3t – 43z + 1
3y3x + 5 2 –6
4 2=
3x + 5 = 2
3y = –6
3z + 1 = 4
3t – 4 = 2
⇒
x = –1
y = –2
z = 1
t = 2
⇒–1 –2
1 2X =
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Exemplo
Resolver a equação 3X – A = 2B, onde
–5 0
–1 4
1 –3
2 1B =A =
Equações como essa podem ser resolvidas, também, como se fossem equações algébricas. Veja.
3.X – A = 2B ⇒ 3.X = A + 2B
⇒ X =1
3
A + 2B =–5 0
–1 4
2 –6
4 2+ =
63
–6–3
(A + 2B)
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Exemplo
Resolver a equação 3X – A = 2B, onde
–5 0
–1 4
1 –3
2 1B =A =
Equações como essa podem ser resolvidas, também, como se fossem equações algébricas. Veja.
3.X – A = 2B ⇒ 3.X = A + 2B
⇒ X = (A + 2B)1
3
X = =–3 –6
3 6
1
3 21
–2–1
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Propriedades da adição de matrizes
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Propriedades da adição de matrizes
Suponha que A, B e C sejam matrizes de mesmo tipo e que O seja a matriz nula de mesmo tipo daquelas. Valem, para a adição, as seguintes propriedades:
Associativa: (A + B) + C = A + (B + C)
Comutativa: A + B = B + A
Existência do elemento neutro, a matriz O, tal que A + O = O + A = A
Existência do elemento oposto de A, a matriz –A tal que A + (–A) = O.
(A + B)t = At + Bt
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Multiplicação de matrizes
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Multiplicação de Matrizes
O colégio Tales e o colégio Platão distribuem em cada bimestre letivo, um total de 10 pontos por matéria. No entanto, os pesos em cada bimestre diferem nos dois colégios. Veja o quadro a seguir
1º B 2º B 3º B 4º B
Tales 1 2 3 4
Platão 2 2 3 3
Peso por bimestre em cada colégio
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Multiplicação de Matrizes
Dois alunos das duas escolas, que eram amigos, resolveram comparar a soma dos pontos obtidos em Matemática no seu colégio com a que teriam obtido, caso estudasse no outro colégio.
André Pedro
1º B 6 9
2º B 5 8
3º B 7 6
4º B 8 5
Nota de cada aluno por bimestre
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Multiplicação de Matrizes
Veja o total de pontos que cada um teria feito, estudando no colégio Tales.
André Pedro
1º B 6 9
2º B 5 8
3º B 7 6
4º B 8 5
1º B 2º B 3º B 4º B
Tales 1 2 3 4
Platão
2 2 3 3
André:
1.6 + 2.5 + 3.7 + 4.8 = 6 + 10 + 21 + 32 = 69
Pedro:
1.9 + 2.8 + 3.6 + 4.5 = 9 + 16 + 18 + 20 = 63
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Multiplicação de Matrizes
Veja o total de pontos que cada um teria feito, estudando no colégio Platão.
André Pedro
1º B 6 9
2º B 5 8
3º B 7 6
4º B 8 5
1º B 2º B 3º B 4º B
Tales 1 2 3 4
Platão
2 2 3 3
André:
2.6 + 2.5 + 3.7 + 3.8 = 12 + 10 + 21 + 24
= 67
Pedro:
2.9 + 2.8 + 3.6 + 3.5 = 18 + 16 + 18 + 15
= 67
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Multiplicação de Matrizes
O quadro a seguir sintetiza os resultados.
André Pedro
Tales 69 63
Platão 67 67
Pontos de cada aluno por colégio
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1 2 3 4
2 2 3 3
6 9
5 8
7 6
8 5
Multiplicação de Matrizes
Vemos escrever, agora, as matrizes A, B e C, associadas aos três quadros anteriores.
Matriz dos pesos: A =
Matriz das notas: B =
Matriz dos pontos: C = 69 63
67 67
c12 = 1.9 + 2.8 + 3.6 + 4.5 c12 = 9 + 16 + 18 + 20c12 = 63
C = A.B
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Multiplicação de Matrizes - Definição
Sob certas condições, definem-se a multiplicação de matrizes. Dadas duas matrizes A e B
Existe o produto AB (ou A.B) se, e somente se, o número de colunas de A (1ª matriz) é igual ao número de linhas de B (2ª matriz);
Existindo a matriz AB, ela tem o número de linhas de A (1ª matriz) e o número de colunas de B (2ª matriz).
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A é matriz m x n
Multiplicação de Matrizes - Definição
Observe o esquema.
B é matriz n x p
iguais ⇒ existe AB
AB é do tipo ⇒ m x p
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Exemplos
Dado as matrizes A e B abaixo, mostrar que é definido e obter o produto AB.
–3 1 0
2 4 –2
–1 2
3 5
–2 6
B =A =
A é matriz 2 x 3
B é matriz 3 x 2
iguais ⇒ existe AB
AB é do tipo ⇒ 2 x 2
x11 x12
x21 x22
AB =
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Exemplo
Dado as matrizes A e B abaixo, mostrar que é definido e obter o produto AB.
–3 1 0
2 4 –2
–1 2
3 5
–2 6
B =A =
Cálculo de x11:
x11 = –3.(–1) + 1.3 + 0.(–2) = 3 + 3 + 0 = 6
Cálculo de x12:
x12 = –3.2 + 1.5 + 0.6 = –6 + 5 + 0 = –1
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Exemplo
Dado as matrizes A e B abaixo, mostrar que é definido e obter o produto AB.
–3 1 0
2 4 –2
–1 2
3 5
–2 6
B =A =
Cálculo de x21:
x21 = 2.(–1) + 4.3 + (–2).(–2) = –2 + 12 + 4 = 14
Cálculo de x22:
x22 = 2.2 + 4.5 + –2 .6 = 4 + 20 – 12 = 12
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Exemplo
Dado as matrizes A e B abaixo, mostrar que é definido e obter o produto AB.
–3 1 0
2 4 –2
–1 2
3 5
–2 6
B =A =
Conclusão:
x11 x12
x21 x22
AB =6 –1
14 12=
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Observação
Observe que no caso das matrizes A2x3 e B3x2 do
exemplo anterior, existe o produto BA que é do tipo 3 x 3.
Ainda que, em certos casos, tanto AB como BA sejam definidos, em geral AB ≠ BA.
Se existirem tanto AB quanto BA e, além disso, AB = BA, dizemos que A e B comutam.
Se A é uma matriz quadrada, existe o produto AA, que também pode ser indicado por A2.
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Propriedades da multiplicação de matrizes
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Propriedades da multiplicação de matrizes
Suponha que A, B e C sejam matrizes de mesmo tipo e que O seja a matriz nula de mesmo tipo daquelas. Valem, para a adição, as seguintes propriedades:
Associativa: (AB)C = A(BC)
Distributiva: A(B + C) = AB +AC e
(B + C)A = BA + CA
Seja Am x n, A.In = Im.A
(AB)t = Bt.At
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Equações que envolvem produto de matrizes
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Exemplo
Dado as matrizes A e B abaixo, resolver a equação matricial AX = B.
2 –1
1 1
5
4B =A =
Vamos analisar primeiro de que tipo é a matriz X.
A é matriz 2 x 2
X é matriz m x n
existe AX ⇒ m = 2
AX é do tipo ⇒ 2 x n
x
yAX2 x n = B2 x 1
⇒ n = 1 X =
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2x – y = 5
x + y = 4
Exemplo
Dado as matrizes A e B abaixo, resolver a equação matricial AX = B.
2 –1
1 1
5
4B =A =
x
y
AX = B
⇒.2 –1
1 1
5
4=
x + y
2x – y
4
5=
⇒x = 3
y = 1⇒
3
1X =
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Inversa de uma matriz quadrada
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Inversa de uma matriz quadrada
Dadas as matrizes A e B abaixo, vamos obter os produtos AB e BA.
AB =
1 1
2 3A =
3 –1
–2 1B =
1 1
2 3
3 –1
–2 1. =
–2 + 3
–1 + 1
6 – 6
3 – 2=
1
0
0
1
BA =3 –1
–2 1
1 1
2 3. =
–2 + 3
3 – 3
–2 + 2
3 – 2=
1
0
0
1
Note que AB = BA = I2, matriz identidade de ordem 2.
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Inversa de uma matriz quadrada
AB = BA = I2, matriz identidade de ordem 2.
Dizemos que:
A é a inversa de B (A = B–1);
B é a inversa de A (B = A–1).
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Inversa de uma matriz quadrada
Dizemos que uma matriz quadrada A, de ordem n, é invertível se, e somente se, existir uma matriz B tal
que AB = BA = In. No caso a matriz B é chamada de
inversa de A e é representada por A–1. Portanto
AA–1 = A–1A = In
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Exemplo
Mostrar que a matriz A abaixo é invertível e obter sua inversa.
2 –5
1 –3A =
Caso exista, A–1 ela será de ordem 2.a b
c dA–1 =
AA–1 = I2 ⇒2 –5
1 –3.
a b
c d
1 0
0 1=
⇒b – 3d
2b – 5d
a – 3c
2a – 5c=
1 0
0 1
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Exemplo
Mostrar que a matriz A abaixo é invertível e obter sua inversa.
2 –5
1 –3A =
Resolvendo os sistemas encontramos a = 3, b = –5, c = 1 e d = –2. Logo
⇒2a – 5c = 1
a – 3c = 0e
2b – 5d = 0
b – 3d = 1
a b
c dA–1 =
3 –5
1 –2=